Изменения
Создана страница
'''''Счетчик Кнута''''' - структура данных, представленная избыточной двоичной системой счисления, где добавление единицы к любому разряду выполняется за <tex>O(1)</tex>.
''Избыточная двоичная система счисления'' - двоичная система счисления, где кроме 0 и 1 допустима 2 в записи числа.
== Алгоритм ==
Имеется число записанное в избыточной двоичной системе счисления, необходимо добавить 1 к какому-либо разряду. Будем поддерживать следующий инвариант: в следующем старшем за любой двойкой разряде всегда стоит 0.
* Начало.
* '''Шаг 1а'''. Если 1 нужно добавить к 2, то в текущем разряде установить 1, в следующем 1.
* '''Шаг 1б'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 0, то в текущем разряде установить 2.
* '''Шаг 1в'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 1, то в текущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1г'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 2, то в следующем за двойкой разряде установить 1, в разряде с двойкой установить 1, в текущем установить 0.
* '''Шаг 1д'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то в предыдущем разряде установить 0, в текущем 2.
* '''Шаг 1е'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1ж'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1з'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде не 2, установить в текущем разряде 1.
* Конец.
== Доказательство ==
Покажем, что инвариант не нарушится.
Инвариант можно нарушить в 2 случаях, когда к единице прибавляют 1 и в следующем разряде стоит не 0, и когда к нулю прибавляется 1, а в предыдущем разряде стоит 2.
В первом случае, если в следующем разряде 1, алгоритм будет устанавливать в текущий разряд 0 и запускаться от следующего разряда. Если в следующем разряде 2, то согласно инварианту следующий за 2 разряд 0, и установив в следующий за двойкой и разряд с двойкой едины инвариант не нарушится.
Во втором случае, если в следующем разряде 0, то предыдущий установится в 0, текущий в 2 и так как в следующем 0 инвариант не нарушится. Если в следующем разряде не 0, то предыдущий установится в 0 и алгоритм запустится от следующего.
== Пример ==
Рассмотрим пример для каждого варианта, добавление 1 происходит в 3 разряд.
а) <tex>002_{2} \Rightarrow 0011_{2}</tex>
б) <tex>0010_{2} \Rightarrow 0020_{2}</tex>
в) <tex>0011_{2} \Rightarrow 0001_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б <tex>0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex>
г) <tex>0012_{2} \Rightarrow 00011_{2}</tex>
д) <tex>02001_{2} \Rightarrow 00201_{2}</tex>
е) <tex>0201_{2} \Rightarrow 0001_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б <tex>0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex>
ж) <tex>0202_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту а <tex>0002_{2} \Rightarrow 00011_{2}</tex>
з) <tex>010_{2} \Rightarrow 011_{2}</tex>
== Амортизационная оценка алгоритма ==
Воспользуемся методом предоплаты, будем считать, что каждый раз когда мы начинаем выполнять алгоритм мы берем 2 монетки. Одна будет тратится на изменение текущего разряда и одна запасаться. Таким образом если в разряде стоит 1, то для него запасена 1 монетка, если стоит 2, то запасено 2 монетки. Проверим все варианты.
а) Так как в текущем разряде было 2, то уже запасено 2 монеты, а так же согласно инварианту после 2 стоит 0, тогда возьмем одну из запасенных у двойки монет и потратим их на присвоение следующему разряду 1, вторую запасенную передадим этой единице. Одну из наших монет потратим на установку в текущий разряд 1, вторую запасем для это единицы.
б) Так как в текущем разряде было 1, то прибавим наши монеты к уже запасенной от единицы. Одну потратим, что бы установить 2, останется 2 монеты.
в) Так как в текущем разряде было 1, то прибавив наши монеты к запасенной получим 3. Одну потратим, что бы установить 0, оставшиеся 2 потратим на повторение алгоритма для следующего разряда.
г) Так как в текущем разряде было 1, в следующем 2, то уже запасено 3 монеты и еще 2 наши, тогда 3 монеты потратим, что бы следующему за 2 разряду установить 1, разряду с 2 установить 1, текущему установить 0, останется 2 монеты, которые распределятся между двумя единицами.
д) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то уже запасено 2 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну на изменение текущего разряда, наши две монеты запасем для двойки в текущем разряде.
е) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то уже запасено 3 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну сохраним с единицей, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.
ж) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то уже запасено 4 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, две сохраним с двойкой, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.
з) Одну из монет потратим на изменение разряда, оставшуюся запасем с единицей.
Получается 2 монет достаточно для прибавления 1 к любому разряду, тогда наш алгоритм работает в среднем за <tex>O(1)</tex>
== Смотри также ==
* [[Амортизационный анализ]]
* [[Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код]]
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Амортизационный анализ]]
''Избыточная двоичная система счисления'' - двоичная система счисления, где кроме 0 и 1 допустима 2 в записи числа.
== Алгоритм ==
Имеется число записанное в избыточной двоичной системе счисления, необходимо добавить 1 к какому-либо разряду. Будем поддерживать следующий инвариант: в следующем старшем за любой двойкой разряде всегда стоит 0.
* Начало.
* '''Шаг 1а'''. Если 1 нужно добавить к 2, то в текущем разряде установить 1, в следующем 1.
* '''Шаг 1б'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 0, то в текущем разряде установить 2.
* '''Шаг 1в'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 1, то в текущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1г'''. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 2, то в следующем за двойкой разряде установить 1, в разряде с двойкой установить 1, в текущем установить 0.
* '''Шаг 1д'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то в предыдущем разряде установить 0, в текущем 2.
* '''Шаг 1е'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1ж'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
* '''Шаг 1з'''. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде не 2, установить в текущем разряде 1.
* Конец.
== Доказательство ==
Покажем, что инвариант не нарушится.
Инвариант можно нарушить в 2 случаях, когда к единице прибавляют 1 и в следующем разряде стоит не 0, и когда к нулю прибавляется 1, а в предыдущем разряде стоит 2.
В первом случае, если в следующем разряде 1, алгоритм будет устанавливать в текущий разряд 0 и запускаться от следующего разряда. Если в следующем разряде 2, то согласно инварианту следующий за 2 разряд 0, и установив в следующий за двойкой и разряд с двойкой едины инвариант не нарушится.
Во втором случае, если в следующем разряде 0, то предыдущий установится в 0, текущий в 2 и так как в следующем 0 инвариант не нарушится. Если в следующем разряде не 0, то предыдущий установится в 0 и алгоритм запустится от следующего.
== Пример ==
Рассмотрим пример для каждого варианта, добавление 1 происходит в 3 разряд.
а) <tex>002_{2} \Rightarrow 0011_{2}</tex>
б) <tex>0010_{2} \Rightarrow 0020_{2}</tex>
в) <tex>0011_{2} \Rightarrow 0001_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б <tex>0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex>
г) <tex>0012_{2} \Rightarrow 00011_{2}</tex>
д) <tex>02001_{2} \Rightarrow 00201_{2}</tex>
е) <tex>0201_{2} \Rightarrow 0001_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б <tex>0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex>
ж) <tex>0202_{2} \Rightarrow 0002_{2}</tex> повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту а <tex>0002_{2} \Rightarrow 00011_{2}</tex>
з) <tex>010_{2} \Rightarrow 011_{2}</tex>
== Амортизационная оценка алгоритма ==
Воспользуемся методом предоплаты, будем считать, что каждый раз когда мы начинаем выполнять алгоритм мы берем 2 монетки. Одна будет тратится на изменение текущего разряда и одна запасаться. Таким образом если в разряде стоит 1, то для него запасена 1 монетка, если стоит 2, то запасено 2 монетки. Проверим все варианты.
а) Так как в текущем разряде было 2, то уже запасено 2 монеты, а так же согласно инварианту после 2 стоит 0, тогда возьмем одну из запасенных у двойки монет и потратим их на присвоение следующему разряду 1, вторую запасенную передадим этой единице. Одну из наших монет потратим на установку в текущий разряд 1, вторую запасем для это единицы.
б) Так как в текущем разряде было 1, то прибавим наши монеты к уже запасенной от единицы. Одну потратим, что бы установить 2, останется 2 монеты.
в) Так как в текущем разряде было 1, то прибавив наши монеты к запасенной получим 3. Одну потратим, что бы установить 0, оставшиеся 2 потратим на повторение алгоритма для следующего разряда.
г) Так как в текущем разряде было 1, в следующем 2, то уже запасено 3 монеты и еще 2 наши, тогда 3 монеты потратим, что бы следующему за 2 разряду установить 1, разряду с 2 установить 1, текущему установить 0, останется 2 монеты, которые распределятся между двумя единицами.
д) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то уже запасено 2 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну на изменение текущего разряда, наши две монеты запасем для двойки в текущем разряде.
е) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то уже запасено 3 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну сохраним с единицей, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.
ж) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то уже запасено 4 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, две сохраним с двойкой, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.
з) Одну из монет потратим на изменение разряда, оставшуюся запасем с единицей.
Получается 2 монет достаточно для прибавления 1 к любому разряду, тогда наш алгоритм работает в среднем за <tex>O(1)</tex>
== Смотри также ==
* [[Амортизационный анализ]]
* [[Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код]]
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Амортизационный анализ]]
